未來十年汽車半導(dǎo)體發(fā)展重點在哪里？

半導(dǎo)體技術(shù)是所有現(xiàn)代汽車的核心，這毋庸置疑。基于半導(dǎo)體技術(shù)的計算機(jī)在車輛中的使用可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時它被部署在動力系統(tǒng)應(yīng)用中，如燃油噴射、變速箱控制和早期駕駛員輔助（如防滑控制）等。早期的發(fā)展重點是發(fā)動機(jī)控制、改善排放以及牽引力控制、防抱死制動等駕駛員輔助功能。

在過去幾十年中，特別是本世紀(jì)之交以來，微控制器（MCU）在車輛中的應(yīng)用和普及率與日俱增，現(xiàn)在幾乎控制了車輛運行的方方面面。現(xiàn)在MCU用于處理大多數(shù)電子驅(qū)動系統(tǒng)，如車窗、電動調(diào)節(jié)后視鏡、信息娛樂、音頻系統(tǒng)、方向盤控制等，在整個汽車上傳遞輸入、執(zhí)行驅(qū)動和執(zhí)行計算。這也使公眾對汽車的認(rèn)知轉(zhuǎn)變?yōu)椤败囕喩系碾娔X”。

自動駕駛半導(dǎo)體增速最快

IDTechEx剛剛發(fā)布的“汽車半導(dǎo)體2023-2033”報告認(rèn)為，汽車半導(dǎo)體市場的10年復(fù)合年增長率將達(dá)到9.4%，而用于ADAS和自動駕駛的半導(dǎo)體將以29%的10年復(fù)合年率增長。因此，自主將是汽車半導(dǎo)體行業(yè)的福音。相關(guān)應(yīng)用包括汽車自動化、ADAS、連接、信息娛樂和電氣化，不僅需要更多的MCU，更需要先進(jìn)和密集處理的尖端半導(dǎo)體技術(shù)。

不同車輛應(yīng)用的半導(dǎo)體晶圓價值

隨著電動汽車在市場上站穩(wěn)腳跟以及自動駕駛功能的出現(xiàn)，該行業(yè)正處于第二次汽車半導(dǎo)體應(yīng)用熱潮的開始。用于自主技術(shù)的傳感器和高性能計算機(jī)需要由稀有材料制成的半導(dǎo)體，以及使用最先進(jìn)處理技術(shù)的硅片；電氣化也需要在功率電子和電池管理系統(tǒng)中消耗大量的半導(dǎo)體，前者將從硅過渡到性能更高的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術(shù)。

汽車中的半導(dǎo)體分布，ADAS/AD是汽車中增長最快的半導(dǎo)體應(yīng)用

來源：IDTechEx

一段時間以來，業(yè)界一直認(rèn)為自動駕駛汽車即將到來，但在某些方面它已經(jīng)出現(xiàn)。就在上個月，繼2022年在德國獲得認(rèn)證后，梅賽德斯-奔馳S級在美國獲得了SAE L3認(rèn)證。其意義在于，S級往往是汽車行業(yè)的潮流引領(lǐng)者，在未來十年，L3技術(shù)的汽車價位將逐步下降。即使是L4車輛現(xiàn)在也在一些城市建立了存在。在美國亞利桑那州鳳凰城，任何人都可以使用Waymo的完全無人駕駛自動出租車，前提是路線和最終目的地在選定的地理圍欄區(qū)域內(nèi)。

自動駕駛汽車需要更多半導(dǎo)體

ADAS和自動駕駛汽車有望以其所能提供的超人安全性徹底改變運輸業(yè)，其能力源于依靠先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)提供最佳性能的傳感器和計算機(jī)。因此，ADAS和自動駕駛汽車將成為汽車半導(dǎo)體市場增長的一大動力。三個因素將共同推動高增長率：L3和L4自動駕駛汽車的出現(xiàn)和采用以及所需的傳感器；汽車傳感器向更先進(jìn)的半導(dǎo)體過渡；將高性能計算應(yīng)用于車輛。

IDTechEx的研究表明，在ADAS采用方面，2021年全球售出的新車中，有39%在發(fā)貨時配備了足夠的ADAS功能，以符合L2標(biāo)準(zhǔn)。這些汽車至少配備了自適應(yīng)巡航控制和車道保持輔助系統(tǒng)。2021發(fā)貨的另外39%為L1，剩下的只有12%為L0或沒有任何自動化技術(shù)。

ADAS功能的采用

L3車輛也已進(jìn)入市場。2021年，本田傳奇在日本被授予L3，出貨100輛。2022年，梅賽德斯S級在德國獲得了L3認(rèn)證，年銷量在10萬輛左右。

在自動駕駛系統(tǒng)中，半導(dǎo)體的作用更是當(dāng)仁不讓，從L3開始需要比ADAS系統(tǒng)更多的傳感器。L4 Robotaxi將擁有更全面的傳感器套件，以提供商用車輛所需的魯棒性。L3及以上車輛極有可能至少使用一個激光雷達(dá)（LiDAR），這將推動高價值半導(dǎo)體的增長。由于計算負(fù)荷遠(yuǎn)高于ADAS車輛，L4乘用車和Robotaxi可能會使用重復(fù)的計算機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)冗余。此外，高度自動駕駛車輛的豪華特性將使整個車輛中MCU的使用量增加。

來看看ADAS系統(tǒng)中有哪些半導(dǎo)體。在更先進(jìn)的車輛中，ADAS/AD處理器執(zhí)行傳感器融合、目標(biāo)檢測、路徑規(guī)劃和請求車輛行動等功能。這些功能使用非常高端和先進(jìn)的單元，通常是3-7nm FinFET。

攝像頭MCU處理來自攝像頭的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行一些ADAS功能，例如車道保持輔助和自動緊急制動。通常采用40nm CMOS或90nm SiGe BiCMOS，更先進(jìn)的可能使用28nm Si CMOS FD SOI。攝像頭圖像傳感器基于CMOS，采用大多數(shù)成熟節(jié)點，如65nm、90nm和130nm。

雷達(dá)MCU用于預(yù)處理來自收發(fā)器的數(shù)據(jù)，采用40nm以上工藝，未來趨勢是集成到收發(fā)器中，需要40nm及以下工藝。雷達(dá)收發(fā)機(jī)（Si和SiGe）生成雷達(dá)信號并將回波轉(zhuǎn)換回電子數(shù)據(jù)，通常使用90nm節(jié)點的SiGe BiCMOS制成。一些tier 2正在過渡到40-45nm Si CMOS，趨向于集成MCU的雷達(dá)SoC。未來的技術(shù)將使用28nm CMOS、22nm FD-SOI及更小的器件。

激光雷達(dá)MCU預(yù)處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)中繼到ADAS/AD域控制器。激光雷達(dá)的激光發(fā)生器、激光探測器和激光驅(qū)動器中使用多種半導(dǎo)體，包括Si、GaN、InP、GaAs、InGaAs、Ge等。

傳感器的三個趨勢

對于傳感器，不僅是更多，而且還需要使用更昂貴、更先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)來實現(xiàn)性能更高的傳感器。例如，之前雷達(dá)已經(jīng)使用了相當(dāng)成熟的90nm SiGe BiCMOS技術(shù)，但對更好性能的需求意味著下一代4D成像雷達(dá)將采用40nm及以下節(jié)點的SiCMOS技術(shù)。隨著節(jié)點尺寸的減小，這些雷達(dá)將獲得性能，但也將增加成本。

最近，激光雷達(dá)價格一直在下降，其采用率也在不斷提高。它是L3及以上級別車輛的關(guān)鍵傳感器，但由于其帶來的安全優(yōu)勢，它也將開始穿透L2及以下級別。近紅外激光雷達(dá)目前部署最多，其探測器可以建在硅上，因此非常便宜。但激光雷達(dá)的趨勢是短波紅外，在提供性能優(yōu)勢的同時需要更昂貴的InGaAs探測器。因此，激光雷達(dá)將越來越多地采用并向更高價值的半導(dǎo)體類型過渡。

令人感興趣的是激光雷達(dá)驅(qū)動的非硅基半導(dǎo)體需求的增長。如今，大多數(shù)激光雷達(dá)在近紅外（NIR）區(qū)域工作，典型波長為905nm，這可以通過硅光電探測器實現(xiàn)。然而，未來的激光雷達(dá)很可能使用典型波長為1550nm的短波紅外（SWIR）區(qū)域。1550nm激光雷達(dá)發(fā)布的壓倒性優(yōu)勢顯示了這一趨勢。

按波長劃分的激光雷達(dá)發(fā)布比例

雖然特斯拉一直在公開反對激光雷達(dá)，但自主領(lǐng)域的其他主要參與者Waymo、Cruise、戴姆勒和本田等都在其高度自動化的車輛上使用激光雷達(dá)。事實上，截至2022年底，道路上只有兩輛經(jīng)過SAE L3認(rèn)證的車輛（在某些情況下不需要駕駛員監(jiān)控）：梅賽德斯S級和本田傳奇。IDTechEx預(yù)計，在未來10年內(nèi)，將有更多高端車輛效仿S級，廣泛采用L3技術(shù)。當(dāng)然，這將推動這些高度先進(jìn)車輛所需的所有傳感器類型和計算機(jī)的半導(dǎo)體需求。

傳感器的趨勢有三：一是隨著自動化程度的提高，車輛周圍的攝像頭將變得越來越多，紅外攝像頭很可能加入其中；二是L3及以上車輛周圍的激光雷達(dá)將增加；三是L3及以上車輛典型安裝五個雷達(dá)，雷達(dá)本身將使用更先進(jìn)的收發(fā)器芯片提供更高的性能。

自動駕駛車輛的傳感器配置

寫在最后

汽車行業(yè)面臨著越來越大的通過電氣化實現(xiàn)脫碳的壓力，2022年電動汽車銷量已增長至所有新車銷量的10%左右，正走出早期采用階段，走向更廣泛的采用。電動汽車的功率電子產(chǎn)品和電池組帶來了額外的需求，推動了半導(dǎo)體行業(yè)的增長。

主機(jī)廠一直在尋找通過提高車輛效率來擴(kuò)大續(xù)航里程的方法，一個越來越受歡迎的途徑是從硅逆變器轉(zhuǎn)向碳化硅逆變器。有兩個因素促使特斯拉、梅賽德斯、奧迪和福特、比亞迪、小鵬等電動汽車主機(jī)廠轉(zhuǎn)向碳化硅。首先，一些主機(jī)廠正計劃從400V架構(gòu)過渡到800V架構(gòu)。較高的電壓降低了實現(xiàn)相同功率所需的電流量，減少了動力傳動系統(tǒng)中的歐姆損耗，提高了效率。碳化硅更適合更高的電壓，因此是比硅更明智的選擇。采用碳化硅的第二個原因是，在400V時，碳化硅也比硅更高效，這就是為什么像特斯拉這樣的玩家會感興趣，盡管其現(xiàn)有的400V增壓器網(wǎng)絡(luò)很難過渡到800V。

總之，未來的汽車將更加先進(jìn)，并要求半導(dǎo)體行業(yè)取得更多進(jìn)步；自主性不僅僅是驅(qū)動一個產(chǎn)業(yè)，而是將帶動整個汽車半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。